Foto: Magnific

Když inženýři navrhují ochranné materiály, většinou řeší pevnost, hmotnost, pružnost a odolnost. Tým vedený Lingem Lim z University of Pennsylvania ale při výzkumu mořských hvězdic narazil na něco mnohem zajímavějšího. Kostra hvězdice Protoreaster nodosus, známé také jako čokoládová nebo rohatá hvězdice, není jen lehká a pevná. Obsahuje i drobné minerální struktury, které dokážou vést a soustředit světlo.

Výzkum vyšel v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences. První autorkou studie je doktorandka Liuni Chen. Na práci se podíleli také vědci z Penn Engineering, Virginia Tech, MIT, Bowdoin College, University of South Carolina a Zuse Institute Berlin. Původně přitom nešlo o hledání optických schopností. Vědci zkoumali, jak příroda dokáže vytvořit porézní kostru, která je lehká, ale zároveň odolná vůči poškození.

Kostra, která není jen oporou

Mořské hvězdice, podobně jako ježovky nebo hadice, staví své kostry z uhličitanu vápenatého. To je běžný minerál, který je sice lehký a dostupný, ale zároveň křehký. V technických materiálech navíc platí, že čím více pórů se do struktury přidá kvůli nižší hmotnosti, tím snáze může praskat. Jenže mořské hvězdice se tomuto pravidlu dokážou vyhnout.

Ling Li a jeho tým už dříve popsali, že kostra hvězdice má složitou mikromřížkovou architekturu. Póry nejsou rozmístěny náhodně a jejich přechody jsou na mikroskopické úrovni velmi hladké. Díky tomu se napětí ve struktuře rozkládá rovnoměrněji a drobné praskliny se nemohou tak snadno šířit celým materiálem. Křehký minerál se tak chová mnohem odolněji, než by člověk čekal.

Nový objev přišel ve chvíli, kdy se vědci zaměřili na špičky ramen hvězdice. Tam našli desítky hladkých výstupků připomínajících čočky. Nešlo jen o náhodnou nerovnost na povrchu kostry. Detailní zobrazování a optické experimenty ukázaly, že tyto útvary zasahují hluboko do kosterního prvku jako drobné minerální kužely.

Minerální čočky uvnitř hvězdice

Vědci je popisují jako light-guiding structures, tedy struktury vedoucí světlo. Podle optických simulací dokáže jedna taková struktura vést zhruba 70 procent dopadajícího světla a soustředit ho u své základny. Když pak tyto útvary pracují společně jako celé pole, sbírají světlo ze širokého úhlu a vytvářejí silnější signál než jednotlivý prvek sám o sobě.

Podobné čočkovité útvary byly u ostnokožců pozorovány už dříve, například u hadic. Jejich přesná funkce ale nebyla jasná. Nová studie pomohla tuto záhadu posunout dál. Kostra mořské hvězdice totiž zjevně neslouží jen jako mechanická ochrana. Může se podílet také na práci se světlem, což je pro živočicha v mělkých vodách Indo-Pacifiku důležité. Světelné vjemy mohou mořským organismům pomáhat při orientaci, hledání úkrytu, potravy nebo při vnímání predátorů.

Přesná biologická role těchto struktur se bude ještě zkoumat. Pro materiálové inženýry je ale důležitá hlavně samotná kombinace funkcí. Hvězdice nelepí senzor na hotový ochranný materiál. Ona má optickou funkci přímo zabudovanou v kostře, která ji zároveň chrání a nese.

Právě to může být inspirací pro budoucí materiály. Dnešní pěny, výplně, panely nebo lehké konstrukční prvky v dopravě a kosmickém průmyslu obvykle plní hlavně mechanickou roli. Mohou tlumit nárazy, snižovat hmotnost nebo chránit obsah. Mořská hvězdice ale ukazuje možnost, že by podobný materiál mohl zároveň sledovat okolí, zachytávat změny prostředí nebo upozornit na poškození.

Zdroj: engineering.upenn.edu